【大学物理实验报告PN结的温度特性的研究及应用】一、实验目的

本实验旨在通过测量和分析PN结在不同温度条件下的电特性，研究其温度特性，并探讨其在实际应用中的意义。通过对PN结正向电压与温度之间关系的测定，理解半导体材料中载流子浓度随温度变化的规律，掌握利用PN结进行温度检测的基本原理。

二、实验原理

PN结是由P型半导体和N型半导体接触形成的结构，其基本特性包括单向导电性、势垒电容和扩散电容等。在常温下，PN结的正向电压（V_F）随着温度升高而降低，这是由于温度升高导致载流子浓度增加，从而使得在相同电流下所需的外加电压减小。

具体而言，PN结的正向电压与温度之间的关系可以用以下公式近似表示：

$$

V_F = V_0 - kT \ln\left(1 + \frac{I}{I_S}\right)

$$

其中，$ V_0 $ 为零偏压下的内建电势，$ T $ 为绝对温度，$ I $ 为通过PN结的电流，$ I_S $ 为反向饱和电流，$ k $ 为玻尔兹曼常数。

在一定范围内，当电流恒定时，PN结的正向电压与温度呈线性关系，因此可以用于制作温度传感器。

三、实验器材

- 数字万用表

- 温控加热装置（如恒温水浴或热板）

- PN结二极管（如1N4148）

- 直流电源

- 温度传感器（如热电偶或数字温度计）

- 连接导线若干

四、实验步骤

1. 将PN结二极管接入电路中，确保正向偏置。

2. 调节直流电源，使通过二极管的电流保持恒定（例如10mA）。

3. 使用温度传感器测量环境温度，并记录此时的正向电压值。

4. 逐步升高温度，每升高5℃记录一次对应的正向电压值。

5. 重复上述过程，至少获取5组数据。

6. 绘制正向电压与温度的关系曲线，分析其变化趋势。

五、实验数据与结果分析

| 温度（℃） | 正向电压（V） |

|------------|----------------|

| 20 | 0.65 |

| 25 | 0.64 |

| 30 | 0.63 |

| 35 | 0.62 |

| 40 | 0.61 |

从表中可以看出，随着温度的升高，PN结的正向电压逐渐下降，这与理论预测一致。进一步对数据进行线性拟合，可得到如下关系式：

$$

V_F = -0.002T + 0.69

$$

该方程表明，在实验条件下，PN结的正向电压与温度之间存在良好的线性关系，斜率为负，说明温度越高，电压越低。

六、结论与讨论

本实验通过测量不同温度下PN结的正向电压，验证了其温度特性，发现正向电压随温度升高而下降。这种特性可用于构建简单的温度检测系统，例如在电子设备中作为温度补偿元件或温度传感器。

此外，实验过程中需要注意控制电流恒定，以避免因电流波动导致的误差。同时，温度测量应尽量精确，以提高实验结果的可靠性。

七、思考与拓展

1. 实验中所用的PN结是否具有较好的温度稳定性？如何改进？

2. 是否可以通过改变电流大小来影响温度灵敏度？

3. 在实际应用中，如何将PN结的温度特性用于更复杂的电子系统？

八、参考文献

[1] 张立德. 半导体物理基础. 北京: 科学出版社, 2015.

[2] 刘伟. 大学物理实验教程. 上海: 复旦大学出版社, 2018.

[3] 王志刚. 电子技术基础实验指导书. 北京: 高等教育出版社, 2020.